Forskare vid Lehigh University har för första gången identifierat att en prestandavinst i den elektriska ledningsförmågan hos slumpmässiga nanotrådsnätverk av metall kan uppnås genom att något begränsa nanotrådsorienteringen. Det mest överraskande resultatet av studien är att tungt ordnade konfigurationer inte överträffar konfigurationer med en viss grad av slumpmässighet; slumpmässighet i fallet med metall nanotrådorientering verkar för att öka konduktiviteten.

Studien, Konduktivitet för nanotrådarrayer under slumpmässiga och ordnade orienteringskonfigurationer, publiceras i det aktuella numret av Natur s journal Vetenskapliga rapporter . Forskningen utfördes av Nelson Tansu, Daniel E. '39 och Patricia M. Smith begåvad ordförande professor vid Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics och Department of Electrical and Computer Engineering, och huvudförfattare Milind Jagota, en gymnasieelev i Betlehemsområdet.

Transparenta ledare behövs i stor utsträckning för platta skärmar, pekskärmar, solceller, och lysdioder, bland många andra tekniker. För närvarande, Indium Tin Oxide (ITO) är det mest använda materialet för transparenta ledare på grund av dess höga ledningsförmåga och höga transparens. Dock, ITO-baserad teknik har flera problem. Materialet är knappt, dyr att tillverka och skör, en särskilt oönskad egenskap för allt som används i denna moderna tid av flexibel elektronik.

Forskare som söker efter en ersättare för ITO använder i allt större utsträckning slumpmässiga nätverk av metallnanotrådar för att matcha ITO i både transparens och konduktivitet. Metall nanotrådsbaserade tekniker visar bättre flexibilitet och är mer kompatibla med tillverkningsprocesser än ITO-filmer. Teknologin, dock, är fortfarande i en tidig utvecklingsfas och prestandan måste förbättras. Aktuell forskning är fokuserad på effekten av stavorientering på ledningsförmågan hos nätverk för att förbättra prestanda.

I det här arbetet, Lehigh-forskare utvecklade en beräkningsmodell för simulering av nanotrådnätverk av metall, vilket borde påskynda processen mot att idealisera konfigurationen av nanotrådar. Modellen förutsäger existerande experimentella resultat och tidigare publicerade beräkningsresultat.

Forskarna använde sedan denna modell för att extrahera resultat för första gången om hur ledningsförmågan hos slumpmässiga nanotrådnätverk av metall påverkas av olika orienteringsbegränsningar av varierande slumpmässighet. Två olika orienteringskonfigurationer rapporteras.

I den första, en enhetlig fördelning av orienteringar över området (-θ, θ) med avseende på en horisontell linje används. På sekunden, en fördelning av orienteringar över området [-θ] ∪ [θ] används, även med avseende på en horisontell linje. I varje fall minskas θ gradvis från 90° till 0°. Konduktiviteten mäts både i riktningar parallella och vinkelräta mot inriktningen.

Forskare fann att en betydande förbättring av konduktiviteten parallellt med inriktningen kan erhållas genom att något begränsa orienteringen av den enhetliga fördelningen. Denna förbättring, dock, kommer på bekostnad av ett större fall i vinkelrät konduktivitet. Den allmänna formen av dessa resultat matchar den som visades av forskare som experimenterade med nanorörsfilmer av kol. Förvånande, det visade sig att det högt ordnade andra fallet inte kan överträffa isotropa nätverk för något värde på θ; vilket visar att kontinuerliga orienteringskonfigurationer med en viss grad av slumpmässighet är att föredra framför högt ordnade konfigurationer.

Tidigare forskning inom detta område har studerat effekterna av orientering på konduktiviteten hos 3D-kolnanorörskompositer, att finna att en liten grad av inriktning förbättrar konduktiviteten. Beräkningsmodeller har använts för att studera hur perkolationssannolikheten för 2D slumpmässiga stavdispersioner påverkas av stavens orientering. Andra har utvecklat en mer sofistikerad beräkningsmodell som kan beräkna ledningsförmågan hos 3D-stavdispersioner, återigen finner att en liten grad av axiell inriktning förbättrar konduktiviteten.

"Nanowire-nätverk av metall visar stor potential för tillämpning inom olika former av teknik, " sa Jagota. "Denna beräkningsmodell, som har visat sig korrekt genom sin goda passning med tidigare publicerade data, har visat kvantitativt hur olika orienteringskonfigurationer kan påverka konduktiviteten hos nanotrådsnätverk av metall."

"Begränsning av orientering kan förbättra konduktiviteten i en enda riktning avsevärt, som kan vara relevant i en mängd olika tekniker där strömflöde endast krävs i en riktning, sade Tansu. Överraskande nog, kraftigt kontrollerade orienteringskonfigurationer uppvisar inte överlägsen konduktivitet; en viss grad av slumpmässighet i orientering verkar faktiskt för att förbättra ledningsförmågan hos nätverken. Detta tillvägagångssätt kan ha enorma effekter på att förbättra strömspridningen i optoelektronikenheter, speciellt på djup ultraviolett strålare med dåligt kontaktskikt av p-typ."